热电材料研究进展 PPT课件

Dr. Jeffrey Snyder a Faculty at
Caltech.
国内研究
陈立东教授 上海硅酸盐研究所
唐新峰教授 武汉理工大学
赵新兵教授 浙江大学
Ⅳ.我们的研究
Bi-Te基热电材料
Bi2Te3的优势
重金属，分子量大，seebeck系数较大 层状结构，各向异性，电导与热导比值相对较大 层状结构，层间有利于实施掺杂改性
PbTe体系适用于 500~900 K的中 温，热电优值最 大可达0.8，可用 于温差发电。
Bi2Te3/Sb2Te3适用于 低温，在室温附近热 电优值达到1（相应的 热电转换效率约为7~8 ％），被公认为是最 好的热电材料，目前 大多数热电制冷元件 都是使用这类材料。
热电材料研究和应用的瓶颈
热电优值
• Venkatasubramanian, et,al. Nature (London) 413, 597 (2001).
学术上受到前所未有的关注
高效热电材料与器件的研发既是相关产业发展需求， 也是热电材料科学技术自身发展的重大需求
政府的关注和支持
美国：未来5年研究开发计划 能源部（DOE ） 宇航局（NASA ） 国防部（DOD）
热电效应是电流引起的可逆热 效应和温差引起的电效应的总称， 包括Seebeck效应、Peltier效应和 Thomson效应。
热电器件工作原理
热电发电
Heat Source PN
热电制冷
Active Cooling PN
Heat Sink
Heat Rejection
I
(a) Power Generation Mode
应用（2）：热电发电
美国、德国、日本、
韩国等汽车公司 （ GM、 BMW、 HONDA、大众、现 代等）正在开展相关 研发工作，可节省油 耗5%；国内相关研究 刚刚起步（上汽）
➢ 聚光光伏太阳能辅助系统
利用高聚光太阳能在基板上产生的热能发电， 提高转换率；国家“973”计划、日本能源开发 机构NEDO、美国DOE等均有所部署
研究重点—如何优化ZT值？
影响因素
化学组成
显微结构
优化途径
通过成分设计与调控，优化载流 子浓度，并使ZT峰值与工作温度 相匹配
通过调节颗粒的尺度、形貌、定 向分布，提高载流子迁移率并增 强声子散射，从而提高σ/κ
主要研究思路
< 50nm
低维结构
晶内第二相 晶界第二相
纳米复合结构
三维笼状 2.0
二维层状
利用燃烧热、地热、体 表温差等热源，为野外 作业、偏远山区、小型 电器、植入式医疗器械 等提供电能
Ⅱ.热电材料及热电效应
1. 什么是热电材料
热电材料（也称温差电材料， thermoelectric materials）是一种利 用固体内部载流子运动，实现热 能和电能直接相互转换的功能材 料。
☆ 什么是热电效应
Heat Source ＋
N-type element P-type element
Heat Sink
热电器件模型
Cerami
ーc plate
热电器件实物图
热电性能评价
优异热电性能： ➢ Seebeck系数大 ➢ 电导率高 ➢ 热导率低
Ⅲ.热电材料的研究现状
热电材料的研究进展
ZT
Seebeck现象
2.0
主要是金属
1.0
0.5 1834
Ioffe提出半导体 热电理论
Bi2Te3、PbTe SiGe
AgPb18SbTe20 NaCoO2、
Zn4Sb 方钴矿
量子点、
量子线、 超晶格等
低维热电材料
1821 1855 1949
1990 1997
2004
（年）
• Chen G, et al. International Materials Reviews, 2003, 48(1):1-22.
Seebeck效应
I
(b) Cooling Mode
Peltier效应
Cronin B V. Semiconductors are cool. Nature. 2001, 413: 577~578
绿色能源： 1. 体积小 2. 重量轻 3. 结构简单 4. 坚固耐用 5. 无需运动部件 6. 无磨损 7. 无噪音 8. 无污染
α：seebeck系数 σ：电导率（与载流子浓度和迁移率有关） κ：热导率（包括声子热导和电子热导）
随着载流子浓度增加， σ和κ均增加，α却减小
合适的载流子浓度， 尽量降低热导率
改善热电性能的途径
σ = neμ μ= eτ/ m*
k= ke+kL
增强声子散射， 降低晶格热导率
掺杂：改变费米能级的位置，优化电输运性能； 点缺陷（原子质量波动），增强声子散射
相关新 能 源 技 术
主要的材料体系
金属 硅化 复杂 物 氧化 物 Skutte rudite
SiGe 体系
PbTe 体系 Bi2Te3 /Sb2Te 3体系
高温 中温
低温
SiGe体系多用于900 K以上，这 类具有金刚石结构的材料的晶 格热导率很高，因而热电优值 很低，目前只是在卫星和空间 站的温差发电系统比较常用。
低维材料：量子限域效应（超晶格等） 晶界散射：引入纳米结构（球磨、水热等）
国外研究 Professors of MIT
Dr Gang Chen
Dr Mildred Dresselhaus
国Байду номын сангаас研究
Mercouri Kanatzidis From Northwest University
Dr Z. F. Ren professor of physics at Boston College
热电材料研究进展
研 究 生：孙 言 指导老师：蒋 俊
2011-10-27
报告内容
现实意义 基本概念 研究现状 预期目标
Ⅰ.热电材料研究的现实意义
1.能源短缺、环境污染、温室效应
2. 应用 （1）：热电制冷
针对半导体热电制冷器件，在我市慈溪、余姚等地区有 很大的产业集群，如饮水机、小冰箱、酒柜等
目标 ZT值： ≥2.0
效率h ：≥20％
日本： 通产省和科学技术振兴机构（JST）
—— 热电材料与工业余热发电技术
—— 高效热电材料与太阳能热电转换技术
欧盟：从第六框架计划（FP6）开始，将热电材料列入“可再生能源技术”
予以重点支持
ZT 值：
≥2.0
转换效率h ： ≥ 20％
热电材料科学技术 重大突破
特殊原子基团
特殊结构
湿化学法